A.8 Vidéo en couches et les caches
A.8.2 Approche
2.3 Content distribution network
Vários fatores podem influenciar a usinagem de ultraprecisão, como a qualidade do ar comprimido utilizado, a limpeza da sala, a temperatura do material a ser
Capítulo 5 Procedimento Experimental 89 usinado, das ferramentas, presença de ruídos mecânicos ou elétricos, umidade da sala, entre outros.
Fatores que poderiam ser atribuídos tanto como influência do meio ambiente ou como incerteza da medição serão detalhadamente tratados na análise da incerteza da medição, como: influência da temperatura e da umidade, ruídos eletrostáticos e eletromagnéticos, interferência de ondas de radiofreqüência ou eletromagnéticas.
De acordo com Flesch (2001), a qualidade metrológica passa obrigatoriamente pela avaliação da incerteza de medição.
Segundo o EA Task Force Committee 2 (1999), a avaliação do tipo A da incerteza é o método de avaliação que utiliza técnicas estatísticas para avaliar uma série de observações. Esta análise só deve ser utilizada quando são realizadas várias observações de uma grandeza. Já a avaliação do tipo B é a avaliação que é feita por outros meios que não os descritos para o tipo A.
Assim, para a análise de vibrações base do método utilizado neste estudo, deve-se fazer uma avaliação do tipo B, já que é feita uma única imagem da tela do analisador de vibrações durante cada ensaio. Segundo o EA Task Force Committee 2 (1999): “Uma avaliação do tipo B da incerteza padrão bem fundamentada pode ser tão confiável quanto uma avaliação do tipo A, especialmente em uma situação de medição em que a avaliação do tipo A é baseada somente em um número comparativamente pequeno de observações estatisticamente independentes”.
Como o sistema de medição é composto por módulos, para a realização desta análise será utilizada a metodologia descrita por Gonçalves Júnior (2002), que é a análise conhecida por “Propagação de Incertezas Através de Módulos”, tratada no capítulo 10 de sua obra. Segundo o autor, o método é utilizado para avaliar o comportamento metrológico de um sistema de medição composto por módulos, a partir do comportamento metrológico individual de cada um dos módulos, conhecidos a priori.
Flesch (2001) traz um estudo detalhado sobre as características metrológicas de instrumentos e cadeias de medição, onde aborda não só fatores relacionados as incertezas envolvidas, como também fatores físicos relacionados aos instrumentos, conexões e condicionamento de sinais. O primeiro passo é identificar todas as fontes de incertezas que podem influenciar o sistema de análise de vibrações. Depois de listadas, é necessário coletar os dados individuais de cada módulo, para as influências que não podem ser desprezadas.
Capítulo 5 Procedimento Experimental 90 Várias fontes de incertezas que podem influenciar o sistema estão listadas a seguir, e foram extraídas de Pedroso (2002), Lax (2004), Lima (2003) e Keithley Instruments Inc. (1992).
Transdutores:
• Incerteza de aferição dos acelerômetros;
• Umidade relativa;
• Temperatura;
• Massa;
• Linearidade.
Cabos e conexões:
• Ruídos nos cabos;
• Offset;
• Impedância.
Amplificador (Unidade de Tratamento de Sinais – UTS):
• Incerteza de aferição dos ganhos;
• Temperatura;
• Linearidade;
• Ruído eletrônico.
Analisador (placa de aquisição + Labview®):
• Incerteza dos equipamentos:
- Deriva térmica da placa de aquisição; - Erro de ganho;
- Conversão Analógico/Digital (Erro de quantização); - Offset;
- Ruído;
- Resposta em freqüência do sistema.
• Incerteza dos métodos numéricos:
- Ripple na banda de passagem do filtro passa-banda FIR; - Janela de Hanning (para resultados na forma FFT). Incerteza devido a influências do meio ambiente:
• Campos eletrostáticos e eletromagnéticos;
• Interferências eletromagnéticas ou devido a radiofreqüências;
Capítulo 5 Procedimento Experimental 91 O próximo passo consiste em verificar quais destes fatores serão utilizados nos cálculos, a partir da análise da relevância de cada um. Após a realização desta análise, as influências que serão abordadas nos cálculos estão demonstradas na Figura 5.8.
Figura 5.8 – Diagrama de causas e efeitos (espinha de peixe) para as incertezas abordadas na expressão da incerteza da medição
A influência da temperatura (derivas térmicas) e da umidade relativa do ar não estão sendo levadas em conta nos cálculos pois a sala tem temperatura e umidade controlada (em torno de 20ºC e 50%, respectivamente). Segundo a Keithley Instruments Inc. (1992), a umidade pode diminuir a resistência de isolação das placas de aquisição para computadores. Para evitar este efeito deve-se mantê-la abaixo dos 50%. Portanto, a temperatura e a umidade serão monitoradas a partir do uso de um termo-higrômetro de fabricação da empresa Sato, de onde foram obtidos os registros ilustrados na Figura 6.20.
O offset nos cabos, causado pela força eletromotriz térmica, será desconsiderado por representar um valor muito pequeno quando utilizadas conexões crimpadas de Cobre com Cobre e quando as conexões se encontram na mesma temperatura (KEITHLEY INSTRUMENTS INC., 1992).
A resposta em freqüência devido à freqüência de amostragem da placa de aquisição será desconsiderada pois, para aquisições com taxas de amostragem mais baixas que o limite da placa de aquisição, esta influência não é significativa. Assim, como está sendo utilizada taxa de amostragem de 10240 amostras por segundo, e o limite da placa é de 200.000 amostras por segundo, este tempo de resposta da placa não é significativo.
Capítulo 5 Procedimento Experimental 92 A influência dos campos elétricos e magnéticos não está sendo considerada pois anteriormente à execução dos experimentos foi feita uma cuidadosa análise sobre a presença destes fatores. Verificou-se a presença de ruídos eletromagnéticos devido ao monitor do microcomputador (que controla o motor de passo) e devido ao
driver de potência do mesmo. Estas fontes de incerteza foram suprimidas a partir
das recomendações feitas pela Keithley Instruments Inc. (1992), que sugere primeiramente afastar as fontes de interferência dos cabos, aparelhos de medição e unidade de tratamento dos sinais. Posteriormente, foram feitos a blindagem e aterramento da fonte de ruído (driver do motor de passo) separadamente da blindagem dos cabos e acessórios de medição.
A Figura 5.9 ilustra o efeito do ruído eletromagnético inserido na medição pelo monitor do microcomputador, que se manifestou em torno dos 900 Hz, e que foi suprimido com as técnicas citadas, antes da execução dos ensaios.
Figura 5.9 – Ruído elétrico em 900 Hz inserido pelo monitor do microcomputador
A incerteza devido à variação da aceleração da gravidade, em função da latitude do local da medição, pode ser desprezada, pois conforme Elgar (1998), o valor da aceleração da gravidade pode variar ligeiramente em diferentes locais de
Capítulo 5 Procedimento Experimental 93
9,81 m/s2. Já no campus da Universidade Federal de Santa Catarina, de acordo com
medições realizadas, este valor é de 9,79 m/s2.
O próximo passo consiste em identificar o sistema, a partir da separação e identificação dos diferentes módulos que o compõe. Após o levantamento individual, os módulos são combinados e a incerteza padrão combinada é levantada. Serão computadas as incertezas que não puderem ser desprezadas, por se apresentarem significativas em relação às medidas realizadas. A Figura 5.10 ilustra a cadeia de medição utilizada nos experimentos de vibrações. Os quatro primeiros módulos (transdutor, unidade de tratamento de sinais, placa DAQ e filtro passa-bandas) são utilizados tanto na medição no domínio do tempo, quanto no domínio da freqüência. Já a janela de Hanning é utilizada junto à FFT e, por isto, não incide sobre as medições pico-a-pico, como se pode verificar nas diferenças apresentadas pelos resultados expostos na Tabela 5.2 e na Tabela 5.3.
Saída Transdutor (Módulo 1) Placa DAQ (Módulo 3) UTS (Módulo 2) Entrada Filtro BP (Módulo 4) Hanning (Módulo 5)
Figura 5.10 – Ilustração dos módulos da cadeia de medição considerados no cálculo das incertezas
Antes de iniciar os experimentos, a correção dos acelerômetros e das unidades de tratamento de sinais deve ser zerada, a partir de um procedimento de correção das sensibilidades dos acelerômetros via software (regulagem), utilizando um calibrador manual de acelerômetros. A Figura 5.11 ilustra este procedimento.
Capítulo 5 Procedimento Experimental 94
Figura 5.11 – Correção das sensibilidades dos acelerômetros
A correção referente à placa de aquisição de dados (offset) está incorporada à incerteza padrão da placa, conforme mostra a Tabela 5.1.
De acordo com Flesch (2001) é usual que a tendência já venha computada no erro máximo e seu valor não seja informado explicitamente.
As incertezas-padrão para os acelerômetros e para as unidades de tratamento de sinais (UTS) estão descritas nos certificados de calibração dos equipamentos, sendo que a calibração ainda estava dentro do seu prazo de validade no ato dos ensaios. Estas englobam a incerteza da sensibilidade para os acelerômetros (ou do ganho para as UTS), as não-linearidades e o ruído nos equipamentos. A incerteza descrita no certificado de calibração do acelerômetro é de 2,5% e a da UTS é de 0,2%.
Para a incerteza devido ao ruído nos cabos, Lax (2004) sugere 5 % para cabos normais sem muitos cuidados com as conexões, e 0,5 % para cabos de baixo ruído. Assim, como os cabos utilizados são de baixo ruído, será utilizado 0,5 % para efeitos de cálculos.
Keithley Instruments Inc. (1992) afirma que é imprescindível a utilização de cabos de baixo ruído (disponíveis nas versões coaxiais ou triaxiais) em medições de baixo nível. Sugere ainda que a blindagem do cabo não deva flutuar acima de 30
Capítulo 5 Procedimento Experimental 95 Para o módulo “Placa de Aquisição”, a incerteza será calculada de acordo com as indicações do fabricante, e está descrito por National Instruments (2003) e National Instruments (2004a), conforme a Tabela 5.1:
Tabela 5.1 – Incertezas da placa de aquisição PCI-6013
Entrada Percentual Offset Ruido + Escala Incerteza Incerteza
(V) da leitura (V) Quantização (V) (V) Absoluta (+- V) Relativa (+- %)
0 0,0007 0,0000314 0,0000314 0,05 6,2800E-05 Infinito 0,0001 0,0007 0,0000314 0,0000314 0,05 6,2870E-05 62,87 0,0002 0,0007 0,0000314 0,0000314 0,05 6,2940E-05 31,47 0,0004 0,0007 0,0000314 0,0000314 0,05 6,3080E-05 15,77 0,0006 0,0007 0,0000314 0,0000314 0,05 6,3220E-05 10,53667 0,0008 0,0007 0,0000314 0,0000314 0,05 6,3360E-05 7,92 0,001 0,0007 0,0000314 0,0000314 0,05 6,3500E-05 6,35 0,005 0,0007 0,0000314 0,0000314 0,05 6,6300E-05 1,326 0,01 0,0007 0,0000314 0,0000314 0,05 6,9800E-05 0,698 0,025 0,0007 0,0000314 0,0000314 0,05 8,0300E-05 0,3212 0,05 0,0007 0,0000314 0,0000314 0,05 9,7800E-05 0,1956 0,1 0,0007 0,0001158 0,0000562 0,5 2,4200E-04 0,242 0,5 0,0007 0,0001158 0,0000562 0,5 5,2200E-04 0,1044 1 0,0002 0,0009598 0,0004665 5 1,6263E-03 0,16263 5 0,0002 0,0009598 0,0004665 5 2,4263E-03 0,048526 10 0,0007 0,0018975 0,000933 10 9,8305E-03 0,098305
A incerteza dos métodos matemáticos se deve às particularidades do processamento digital de sinais. A etapa de filtragem (passa banda FIR), bem como a janela de Hanning (utilizada na FFT), têm participação nas incertezas, já que fazem as medições divergirem do valor verdadeiro das grandezas.
Em relação ao filtro passa banda FIR, este apresenta uma ondulação (ripple) na banda de passagem, que é uma característica intrínseca deste tipo de filtro. O valor desta ondulação pode ser obtido através do uso do programa para projeto de filtros FIR, mostrado na Figura 5.5, sendo que o filtro projetado apresenta variação de mais ou menos 1,8% na banda de passagem. Vale destacar que, caso os parâmetros do filtro sejam alterados, é preciso realizar outra avaliação da incerteza deste módulo, pois o ripple depende das características do filtro (como freqüências de corte e número de taps).
Capítulo 5 Procedimento Experimental 96 Para a janela de Hanning, devido ao seu espectro, quando uma componente senoidal do sinal decomposto pelo método de Fourier cai exatamente entre as células do espectro do filtro, o sinal medido pode ser 15% (1,42 dB) menor do que o sinal verdadeiro, na pior hipótese, conforme mostrado na Tabela 3.3 (WICKRAMARACHI, 2003).
Caso, no futuro, se deseje realizar as medições com uma incerteza menor na amplitude deve-se utilizar a janela Flat-top, conforme já abordado.
Após levantadas as informações sobre as incertezas de cada módulo independentemente, os dados serão tratados e avaliados com o auxílio de uma planilha. Os procedimentos e equações para os cálculos foram extraídos de Gonçalves Júnior (2002).
Serão criadas planilhas para valores diferentes de amplitude de vibração (em
mm/s2), de forma a possibilitar a avaliação da incerteza para toda a faixa utilizada
nas medições. De cada planilha desta saiu um valor para a incerteza expandida da cadeia de medição, que compõe a Tabela 5.2. As planilhas completas se encontram no ANEXO D.
Tabela 5.2 – Incerteza expandida da cadeia de medição para o domínio do tempo
Amplitude da vibração
(m/s2) Acelerômetro 1 Acelerômetro 2 Acelerômetro 1 Acelerômetro 2
0,00100 0,00073 0,00072 69,58 76,08 0,00200 0,00073 0,00072 34,95 38,19 0,00400 0,00074 0,00073 17,75 19,35 0,00600 0,00076 0,00075 12,11 13,16 0,00800 0,00078 0,00077 9,36 10,13 0,01000 0,00081 0,00079 7,76 8,36 0,0500 0,0019 0,0017 3,62 3,68 0,1000 0,0036 0,0032 3,40 3,42 0,2500 0,0087 0,0079 3,33 3,33 0,500 0,017 0,016 3,32 3,32 1,000 0,035 0,031 3,32 3,32 5,00 0,17 0,16 3,31 3,31 10,00 0,35 0,31 3,31 3,32 50,0 1,7 1,6 3,31 3,31 100,0 3,5 3,1 3,31 3,31 Domínio do tempo Absoluto (m/s2) Relativo (%)
Capítulo 5 Procedimento Experimental 97
Tabela 5.3 – Incerteza expandida da cadeia de medição para o espectro de freqüência (FFT)
Amplitude da vibração
(m/s2) Acelerômetro 1 Acelerômetro 2 Acelerômetro 1 Acelerômetro 2
0,00100 0,00075 0,00074 71,71 78,03 0,00200 0,00082 0,00079 39,01 41,94 0,00400 0,0010 0,00098 24,81 25,98 0,0060 0,0013 0,0012 21,15 21,77 0,0080 0,0017 0,0015 19,71 20,08 0,0100 0,0020 0,0018 19,00 19,25 0,0500 0,0093 0,0084 17,71 17,73 0,100 0,019 0,017 17,67 17,67 0,250 0,046 0,042 17,66 17,66 0,500 0,092 0,083 17,66 17,66 1,00 0,18 0,17 17,66 17,66 5,00 0,92 0,83 17,65 17,65 10,0 1,8 1,7 17,65 17,66 50,0 9,2 8,3 17,65 17,65 100,0 18 17 17,65 17,65 Domínio da freqüência (FFT) Absoluto (m/s2) Relativo (%)
A faixa de medição da placa (ganho do amplificador de entrada) deve ser alterada, de forma a fazer com que o sinal a ser medido se acomodasse preenchendo a maior faixa possível das entradas disponíveis na placa (que tem fundo de escala selecionável em ± 50 mV, ± 500 mV, ± 5 V ou ± 10 V). A Tabela 5.1, na coluna “Escala”, mostra as faixas utilizadas nos ensaios e nos cálculos da incerteza, de acordo com a amplitude a ser medida.
Para as medições de vibrações menores que 10 mm/s2 verifica-se que a
incerteza expandida cresce significativamente, devido às limitações quanto à resolução do conversor analógico/digital da placa DAQ. Embora a placa tenha resolução de 16 bits, e não de 12 bits como as placas mais simples, ainda assim
elas não são adequadas para medições abaixo de aproximadamente 4 mm/s2
(aproximadamente 400 µV na entrada da placa). Nestas situações o fabricante recomenda o uso de módulos SCXI, mais especificamente módulos microvoltímetros. Pode-se utilizar também módulos com condicionamento ICP® incorporado.
Capítulo 5 Procedimento Experimental 98
5.1.2 Influência do balanceamento dinâmico da árvore
Nesta parte do trabalho será pesquisada a influência da vibração gerada pelo desbalanceamento da árvore na vibração da máquina. Apesar de ser pré- balanceada de fábrica, ao fixar uma nova peça na árvore para ser executada a usinagem, deve-se verificar o balanceamento do conjunto. Este procedimento atualmente não é executado e tem influência na qualidade das peças obtidas.
O primeiro passo do procedimento consiste em determinar o ponto mais leve do conjunto peça-rotor, ou seja, o ponto superior da estrutura quando a mesma encontra-se estática, já que, por ser livre de atrito, o ponto mais pesado irá sempre pender para baixo. Com isto determina-se o ponto no qual deve-se adicionar a massa de correção. Em seguida, o rotor é acionado a uma velocidade alta (próximo à velocidade máxima para maximizar o efeito do desbalanceamento) e, no programa desenvolvido para Labview®, verifica-se a amplitude de vibração ocasionada pelo desbalanceamento em sua forma inicial (que tem seu componente principal de freqüência igual ao número de rotações por minuto dividido por sessenta). Neste ensaio o uso da escala linear é uma melhor opção, em relação ao uso da escala logarítmica, por enfatizar as diferenças de amplitude. O próximo passo consiste em adicionar pequenas massas ao ponto mais leve do conjunto peça-rotor, verificando a amplitude da vibração na freqüência devido ao desbalanceamento para cada acréscimo realizado. Assim, a vibração diminui com o acréscimo de massa, até uma situação onde a vibração é mínima, sendo que a partir daí verifica-se um aumento da vibração com o acréscimo de massa. Neste ponto de vibração mínima tem-se o melhor balanceamento possível do conjunto peça-rotor com os equipamentos que estão sendo utilizados.
É válido, ao usinar as peças, repetir o procedimento de balanceamento descrito acima, quando a profundidade atingida for suficiente para a ferramenta retirar material de toda a superfície da peça. Isto é necessário pois, como não é possível fixar a peça totalmente perpendicular à ferramenta, no início da usinagem o material é retirado de um lado da peça somente. Com isto, após a retirada desigual de material, novamente o desbalanceamento irá se manifestar. Foi visto em outros ensaios que apenas 250 mg de desbalanceamento já podem causar vibrações no sistema.
Capítulo 5 Procedimento Experimental 99 Nesta parte dos experimentos os acelerômetros serão fixados conforme a Figura 5.1.
Equipamentos a serem utilizados: - Acelerômetro 1;
- Acelerômetro 2;
- Dois condicionadores de sinal para acelerômetros; - Sistema de aquisição de dados;
- Programa feito para Labview com esta finalidade (Programa 1 do ANEXO D);
- Schenck Vibrobalancer 41.
5.1.3 Influência do sistema de aspersão de fluido de corte
Com este experimento pretende-se verificar a influência da aspersão do fluido de corte na vibração do torno, e conseqüentemente no processo de usinagem, para uma determinada condição de aspersão de fluido de corte (pressão e vazão).
De posse dos dados referentes à condição de aspersão de fluido lubri- refrigerante, serão feitas medições da vibração induzida por este sistema no processo, através dos ensaios propostos no item 5.1, “Monitoramento e Controle de Vibrações”.
Com o bico de aspersão de fluido de corte posicionado conforme mostra a Figura 5.12 a vibração introduzida pode ser medida. Diferentes posições e proximidades do bico injetor em relação à ferramenta devem ser utilizadas. A partir daí escolhem-se duas posições para aspersão do fluido de corte, uma na pior e outra na melhor condição de vibração.
A Figura 5.12 mostra uma das posições do bico de aspersão de fluido de corte utilizadas no ensaio.
Capítulo 5 Procedimento Experimental 100
Figura 5.12 – Posicionamento do bico de aspersão de fluido de corte no ensaio para verificação de sua influência
Equipamentos a serem utilizados: - Acelerômetro 1;
- Acelerômetro 2;
- Dois condicionadores de sinal para acelerômetros; - Sistema de aquisição de dados;
- Programa feito para Labview com esta finalidade (Programa 1 do ANEXO D); - Schenck Vibrobalancer 41.
- Bico de aspersão de fluido de corte, fabricado no LMP de acordo com tecnologia desenvolvida em projeto realizado por Pinto (2002).
5.1.4 Influência do sistema de aspiração de cavaco
Como fator de influência na usinagem de ultraprecisão, o estudo sobre a vibração inserida pelo campo acústico gerado pelo aspirador de cavaco se encaixaria tanto na influência do aspirador, como na influência do meio ambiente.
Neste caso, a influência será tratada nos dois itens referentes à influência do meio ambiente e do aspirador de cavaco, pois qualquer campo acústico com a
Capítulo 5 Procedimento Experimental 101 mesma característica teria a mesma influência na vibração, portanto não é um efeito que pode ser inserido exclusivamente pelo aspirador de cavaco.
Com a finalidade de qualificar a influência deste fator serão posicionados os acelerômetros na ferramenta conforme a Figura 5.13 e será verificada a amplitude de vibração para diferentes posições do bico aspirador de cavaco. Será utilizado um bocal com a finalidade de diminuir a perda de carga na entrada do tubo. Este elemento deve ter dimensões reduzidas, pois é preciso posicioná-lo suficientemente próximo à região de contato peça-ferramenta, para que não haja perda na velocidade, comprometendo a retirada dos cavacos. Além disto, no posicionamento dos acelerômetros deve-se tomar o cuidado para que o fluxo de ar incida somente sobre a peça e a ferramenta, sem haver a incidência direta do ar sobre o acelerômetro, para não invalidar as medidas.
A Figura 5.13 mostra o posicionamento do bocal aspirador de cavaco e dos acelerômetros nos ensaios.
Figura 5.13 – Posicionamento do bocal de aspiração de cavacos no ensaio para verificação da sua influência
Equipamentos a serem utilizados: - Acelerômetro 1;
- Acelerômetro 2;
- Dois condicionadores de sinal para acelerômetros; - Sistema de aquisição de dados;
Capítulo 5 Procedimento Experimental 102 - Programa feito para Labview com esta finalidade (Programa 1 do ANEXO D); - Schenck Vibrobalancer 41.
5.1.5 Influência do ambiente sobre a máquina e o processo
Nesta parte do estudo serão analisadas as possíveis influências das características do ambiente onde a máquina se encontra instalada.
Será analisada a influência das vibrações inseridas no sistema pelo meio próximo ao torno, ou seja, vibrações que sejam transmitidas pelo solo ou pelo ar e que interferem no processo. Para isto, serão medidas as vibrações durante o uso de uma furadeira de bancada instalada a 2,5 m da máquina. Além disto, serão medidas as vibrações provocadas por uma batida de martelo de borracha de 1 kg a 2,5 m da máquina.
Conforme citado no sub-item 5.1.1, a temperatura e a umidade devem ser mantidas sob controle, de forma a diminuir a sua influência na incerteza da medição. Assim, a temperatura e a umidade da sala são monitoradas com uso de um termo- higrômetro da marca Sato.
Equipamentos a serem utilizados: - Acelerômetro 1;
- Acelerômetro 2;
- Dois condicionadores de sinal para acelerômetros; - Sistema de aquisição de dados;
- Programa feito para Labview com esta finalidade (Programa 1 do ANEXO D); - Schenck Vibrobalancer 41;
- Termo-higrômetro.
Será feito também um estudo sobre a vibração inserida pelo campo acústico gerado pelo aspirador de cavaco.